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IC構裝與 IC 構裝與 MEMS接合技術 MEMS 接合技術

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(1)

台灣師範大學機電科技學系 -1-

IC構裝與 IC 構裝與 MEMS接合技術 MEMS 接合技術

IC package and MEMS bonding technology IC package and MEMS bonding technology

楊 啟 榮 博士

教 授

國立台灣師範大學 機電科技學系

Department of Mechatronic Technology National Taiwan Normal University

Tel: 02-7734-3506 E-mail:[email protected]

台灣師範大學機電科技學系 -2-

綱 綱 要 要

z

IC構裝技術簡介

z

MEMS 接合技術

z

MEMS 接合檢驗技術

z

MEMS 對準接合技術

z

MEMS 接合技術之基本限制

z

MEMS 接合技術的應用

C. R. Yang, NTNU MT

-3-

IC 構 IC 構( (封 封) )裝技術簡介 裝技術簡介

IC構裝即在建立IC元件的保護與組織架構,它始於IC晶片製程 之後,包含IC晶片的黏結固定、電路聯線、結構封膠與電路版 之結合、系統組合以至於產品完成之間的所有製程,其目的包 含:

(1) 提供承載與結構保護的功能,保護IC裝置免於物理性質的 破壞或化學性質的侵蝕

(2) 提供能量的傳遞路徑,將電源傳送至需要的接腳(傳輸電源)

(3) 傳遞晶片的訊號至需要的接腳,避免訊號延遲(傳輸訊號)

(4) 提供散熱的途徑

C. R. Yang, NTNU MT

-4-

http://elearning.stut.edu.tw/teach/electron/coat.htm

電子產品的動向與對構裝技術的要求

電子產品的動向與對構裝技術的要求

(2)

台灣師範大學機電科技學系 -5-

IC構裝在半導體產業中之角色 IC 構裝在半導體產業中之角色

聯電、力晶、旺宏、華邦電、台積電、世界先進…

日月光、矽品、華泰、南茂、京元電、力成、飛信、超豐、菱生及華東…

合晶 崇越 漢磊 中美晶

順德、百容、佳穎…

台灣師範大學機電科技學系 -6-

http://www.dicingtec.com/jmmb/service.html

晶圓點測 晶圓點測

晶圓探測在晶片與自動測試設備之間建立暫時的電性接觸,這是 IC設計與功能的重要測試,以便於進行晶片分離與昂貴的封裝之 前,篩選出良好的IC (known good die, KGD)

known good die, KGD)

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-7-

http://www.knstaiwan.com/prodserv/TEST- DIVISION/Solutions/wafer-test.asp

晶圓探針卡

晶圓探針卡(Probe card) (Probe card)

探針陣列

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-8-

探針卡结合各種先進的電子 組 件 以 及 新 型 3D MEMS MicroSpring 接触器,能承 受高温的预燒测試,降低清 理的次数,並進一步提高探 針卡的可用度以及测試組件 的生產力。

12吋晶圆探針卡:40,000針脚晶圆级预燒卡,

降低每颗晶粒的测试成本。

http://news.eeworld.com.cn/newproducts/measure/200711/16744.html

(3)

台灣師範大學機電科技學系 -9-

Fei Wang et al, J. Micromech. Microeng., 18 (2008)

A MEMS probe card with 2D dense

A MEMS probe card with 2D dense- -arrayed metal tips arrayed metal tips

台灣師範大學機電科技學系 -10-

晶粒切割程序 晶粒切割程序

晶圓背面研磨(至封裝所需厚度)→晶圓貼片(晶圓貼至膠膜 )→晶圓切 割→晶圓清洗 →膠膜擴張(晶粒間分離)→晶粒與膠帶分離

http://www.dicingtec.com/jmmb/service.html 電子級膠帶(Blue Tape)及紫外線照射膠帶

(UV tape)

Dicing saw

Dicing saw

C. R. Yang, NTNU MT

-11-

IC Wafer Dicing IC Wafer Dicing

http://hard.zol.com.cn/2004/0315/88827.shtml

www.universen.com.tw

C. R. Yang, NTNU MT

-12-

http://www.ruentex.com.tw/trend- web/files/img_htm/8-1.htm

晶圓雷射切割 晶圓雷射切割

同一晶圓上不同尺寸之晶粒切割

(4)

台灣師範大學機電科技學系 -13-

晶圓水刀雷射切割 晶圓水刀雷射切割

http://www.synova.ch/english/laser-cutting-machine/laser-microjet-technology.html Conventional

laser beam

Laser MicroJet technology

台灣師範大學機電科技學系 -14-

晶圓水刀雷射切割 晶圓水刀雷射切割

http://www.synova.ch/english/laser-cutting-machine/laser-microjet-technology.html

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

-15-

黏晶(Die Bond) 黏晶 (Die Bond)

黏晶之目的乃將一顆顆之晶粒置於導線架上,並以銀膠(epoxy)黏著固定。

導線架(Lead Frames )

黏晶前

黏晶後

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-16-

第一銲點第一銲點

第二銲點 第二銲點

銲線的目的是將晶粒上的接點以極細 的金線(18~50 μm)連接到導線架上之內 引腳,藉而將IC晶粒之電路訊號傳輸 到外界。

成品 成品

銲線 銲線 (Wire bonding) (Wire bonding)

(5)

台灣師範大學機電科技學系 -17-

銲線式(wire bonding) 銲線式 (wire bonding)晶粒接合技術 晶粒接合技術

(1) 熱壓法(thermo compression (T/C) bonding)

(a)

(d) (e)

(c) (b)

台灣師範大學機電科技學系 -18-

(2) 超音波法(ultrasonic (U/S) bonding)

(a)

(d) (e)

(c) (b)

C. R. Yang, NTNU MT

-19-

金線銲接 金線銲接

頭髮 頭髮vs. 金線

vs.

金線

金線結球 金線結球

C. R. Yang, NTNU MT

-20-

覆晶接合技術

覆晶接合技術(flip chip) (flip chip)

首先在晶片的金屬墊上生成銲料的凸塊(錫球)(bump),而在基板上則生成 與晶片上銲料凸塊相對應可供銲料潤溼附著的接點。然後將翻轉的晶片

,對準基板上的接點,以迴銲(Reflow)的方法,同時生成所有接合。

使用Flip Chip技術有兩大好處:

1. 可降低晶片與基板間的電子訊號傳輸距離,適用在高速元件的封裝。

2. 可縮小晶片封裝後的尺寸,使得晶片封裝前後大小差不多。

球格陣列(Ball grid array, BGA)

(6)

台灣師範大學機電科技學系 -21-

金( 金 (錫鉛 錫鉛) )凸塊的製作流程 凸塊的製作流程

(a) 晶片清潔

(c) 微影製程

(d) 電鑄金凸塊

(e) 去除光阻

(f) 選擇性蝕刻去除金凸塊 底部以外的多層金屬膜 (b) 濺鍍黏著層、擴散障層與金保護層

,合稱UBM (Under bump metallurgy)

台灣師範大學機電科技學系 -22-

迴銲(Reflow)之錫球凸塊

錫球凸塊之覆晶接合

完成覆晶接合之錫球凸塊

覆晶接合過程之錫球凸塊變化

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-23-

焊錫凸塊在迴焊時,不論是焊錫凸塊或錫膏熔融,其表面張力可修 正先前晶片放置的偏移,將歪斜的晶片拉正至基板焊墊上,此為自 行對準效應(Self Alignment)

底膠填充過程 Flip Chip BGA的封裝結構圖

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-24-

捲帶式晶粒接合技術

捲帶式晶粒接合技術(TAB) (TAB)

Tape Automatic Bonding

Tape Automatic Bonding

捲帶式接合技術,較諸傳統的打線接合,最大的優點在於可縮小積體電路晶 片上金屬墊間距,進而提高電路接頭的密度。使用TAB的技術,因其利用平 面式熱壓法使內引腳與凸塊接合,金屬墊可以縮小至2×2 mil,腳距更能做到

1 mil以下,大幅提高了電路的密度,而且其接點的強度,通常也都高出以打

線接合的接點強度五倍以上,其他的優點還有接合較快速、準確、及電氣性 質優異等,其缺點則主要為凸塊製作不易且成本較高。

http://elearning.stut.edu.tw/teach/electron/coat.htm

(7)

台灣師範大學機電科技學系 -25-

內引腳接合 內引腳接合(ILB) (ILB)

從 捲 帶 及 IC 的 設 計 與 製 作 、 長 凸 塊

(Bump) 、 內 引 腳 接 合 、 封 膠 (Encapsulation)至接合測試,一般簡稱

為ILB (Inner Lead Bonding)製程。

台灣師範大學機電科技學系 -26-

外引腳接合

外引腳接合(OLB) (OLB)

OLB (Outer Lead Bonding)製程則

是指捲帶上的引腳與LCD面板、印 刷電路板(PCB)的接合技術。

http://elearning.stut.edu.tw/teach/electron/coat.htm

C. R. Yang, NTNU MT

-27-

捲帶式晶粒接合流程圖 捲帶式晶粒接合流程圖

C. R. Yang, NTNU MT

-28-

IC晶片之密封保護 IC 晶片之密封保護

(8)

台灣師範大學機電科技學系 -29-

三種直接晶片連接法 三種直接晶片連接法

台灣師範大學機電科技學系 -30-

IC Package and IC Chips IC Package and IC Chips

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-31-

不同階層構裝示意圖 不同階層構裝示意圖

第一層次構裝(MCM)

第二層次構裝(PCB或卡)

第三層次構裝(主機板)(次系統) 第一層次構裝(SCM)

第零層次(晶片層級介面結合)

--IC晶片上的電路設計與製造。

第四層次(電子產品)--將數 個次系統組合成為一完整的 電子產品(Gate)的製程。

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-32-

封裝是以建立各層級間介面結合(Interconnection)為基礎的技術,其製 程技術以五個不同層級區分:

1. 第零層級(晶片層級介面結合)IC晶片上的電路設計與製造。

2. 第一層級(單晶片或多晶片模組)將IC晶片封裝於殼體中,並完成電 路及密封保護的製程又稱為模組(Module)或晶片層級封裝(Chip-level Packages)

3. 第二層級(印刷電路板, PCB)將第一層級封裝完成的元件組合於電路 卡上的製程。

4. 第三層級(母板)將數個電路版組合於主機板(Board)上成為次系統的 製程。

5. 第四層級(電子產品)將數個次系統組合成為一完整的電子產品(Gate) 的製程。

事實上最近的科技演進銲線接和(Wire Bonding)、捲帶式自動接和(Tape Automated Bonding, TAB)和覆晶接和(Flip Chip)將晶片直接組裝於電路版 (Chip on Board, COB)技術的發展趨勢,第一層級和第二層級封裝間的區分 變得相當模糊,通常COB稱之為1.5層級封裝。

(9)

台灣師範大學機電科技學系 -33-

元件與電路板接合的方式 元件與電路板接合的方式

(a) 引腳插入型

(Pin-Through-Hole, PTH)

(b) 表面黏著型

(Surface Mount Technology, SMT)

台灣師範大學機電科技學系 -34-

C. R. Yang, NTNU MT

-35-

MEMS

MEMS 接合技術 接合技術

C. R. Yang, NTNU MT

-36-

MEMS接合技術簡介 MEMS 接合技術簡介

接合除了有保護元件的功能外,更重要的是基於製程的需要將將兩片或以上的 基板以各種方式接合在一起,或將製作好之各個基板組合成具特定要求或功能 的元件,由於接合技術使元件設計的廣度增加,並適度的突破體型或面型微機 械加工的 2-D 或 3-D 限制,因而我們可以設計更複雜且更實用的元件。如製 作壓力感測器、微閥、微幫浦、加速規等許多微機械元件都必須利用接合技術

;又如在玻璃或矽晶片上製作微通道配合微閥與微幫浦接合成為微流體系統;

或者利用玻璃的抗氫氧化鉀蝕刻的特性,將晶片接合在玻璃上,接著執行體型 微機械加工,以氫氧化鉀蝕刻單晶矽製作壓力感測器、加速規與其他元件所需 的隔膜結構。

(10)

台灣師範大學機電科技學系 -37-

接合技術可以說是建立在基板準備、雙面對準以及接合三個步驟下,不論是 哪一種接合,都必須將基板表面清洗乾淨,或者在基板表面形成一層適合接 合的薄膜,如 pyrex #7740 、二氧化矽、氮化矽、金、環氧樹脂 (epoxy

resin) 、有機物等,接著選擇正確的雙面對準方式,將兩片基板對準完全,

最後利用基板接合機,施予適當的溫度、電壓、真空度、壓力來進行接合。

就接合之基板來說,一般有晶片與晶片、晶片與玻璃、玻璃與玻璃、玻璃與 其他金屬、石英與石英等數種接合,若就接合之方法來說,應用最廣的是接 合晶片與玻璃的陽極接合 (anodic bonding) ,其他還有共晶接合 (eutectic bonding) 、融熔接合 (fusion bonding) 、直接接合 (direct bonding) 、黏著接 合 (adhesive bonding) 等。

台灣師範大學機電科技學系 -38-

Inorganic - Eutectic bonding - Glass frit bonding

Methods of wafer bonding Methods of wafer bonding

z

Intermediate Organic - Epoxy bonding - PR bonding

z

Non-intermediate - Fusion bonding - Anodic bonding

Ref : 楊學安, “電磁感應渦電流於微機電系統之分析與應用”, 清華大學, 博士論文 (2005).

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-39- 矽晶片

加熱裝置

玻璃 ~ 1000 V

~ 400 C

陽極接合適用於接合玻璃與晶片,接合強度達數 kg/cm2,首先將玻璃置於晶片上並將晶 片加熱至 400 °C 左右,同時加 1000 V 左右的直流電壓,晶片接正極,玻璃接負極,隨著 溫度的增加,玻璃中的帶正電鈉離子逐漸變得可移動而往負極漂移 (drift),所以在玻璃靠 晶片的部分會逐漸形成空乏層 (depletion layer),造成很大的電場在晶片與玻璃的介面間

, 這 個 電 場 會 使 玻 璃 中 的 氧 原 子 與 矽 鍵 結 ( b o n d ) 在 一 起 , 造 成 一 定 的 接 合 力 量。

陽極接合 陽極接合 (anodic bonding) (anodic bonding)

陽極接合基本示意圖

正極:矽晶片 負極:玻璃

Corning 7740 (Pyrex)最佳

因其熱膨脹係數與矽接近

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-40-

Silicon

Heater

Na

+

Na

+

Na

+

Na

+

Na

+

Na

+

Na

+

Na

+

O

-

O

-

O

-

O

-

O

-

O

-

O

-

O

-

300~500℃

O Si

O Si

O Si

O Si O Si

O Si

O Si

O Si

NaOH

Glass pyrex 7740 200 ~ 1000V

Principle of anodic bonding Principle of anodic bonding

Power supply

(11)

台灣師範大學機電科技學系 -41-

30.9×10-7/℃

Silicon

32.5×10-7/℃

Pyrex 7740

Thermal expansion coefficient

Limitation of anodic bonding Limitation of anodic bonding

Limitation : thermal expansion coefficient Problem : thermal stress

台灣師範大學機電科技學系 -42-

陽極接合過程

C. R. Yang, NTNU MT

-43-

清華大學工科系MEMS Lab. 矽晶-玻璃接合設備 林裕成, MEMS製程之接合技術, 機械月刊

陽極接合實驗設備裝置圖 陽極接合實驗設備裝置圖

C. R. Yang, NTNU MT

-44-

如果需要接合兩片晶片,可以在兩片晶片或其中一片晶片上濺鍍一層玻璃

,通常是 pyrex #7740 ,就可以接合這兩片晶片,事實上其他金屬或半導 體也可以和玻璃接合,例如鋁、鐵鎳鈷合金等都可以和玻璃接合,但是白 金與金等不易氧化的金屬,或銀等會產生在玻璃中移動的離子的金屬,就 不適合與玻璃接合。

陽極接合 陽極接合 ( (續 續) )

(12)

台灣師範大學機電科技學系 -45-

Bonding mechanism of point electrode and Bonding mechanism of point electrode and

planar electrode planar electrode

Glass Silicon

Glass Silicon

point electrode planar electrode

heater gas-trapping extruded out

of the interface

gas-trapping

Ref: 楊學安, “快速與局部加熱於陽極接合品質的研究應用”, 台北科技大學, 碩士論文 (2002).

台灣師範大學機電科技學系 -46-

Electrodes design

Electrodes design & fabrication & fabrication

Radiate points

Radiate points

Archimedes points

Archimedes points

Radiate line

Radiate line

Archimedes line

Archimedes line

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-47-

共晶接合 共晶接合 (eutectic bonding) (eutectic bonding)

共晶接合主要是基於兩種材料合金 (alloy) 之熔點,會低於這兩種材料的熔點,而最低熔 點的材料混合比例則稱為共晶點,金常常應用於接合矽晶片與矽晶片,金與矽的共晶溫 度約 363 °C ,比例分別是 97.11 wt.% 的金與 2.9 wt.% 的矽,因此在矽晶片上濺鍍一層 金,施予適合的溫度即可進行兩個 矽晶片的接合,其優點為可以在較低的溫度進行接合

,但是如果接合完成後,仍須使用高溫製程,則金會擴散到矽中而使接合強度降低。

矽晶片

加熱裝置

矽晶片

共晶接合示意圖

z金與矽共晶接合溫度370℃

z金的熔點1063 ℃

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-48-

熔融接合 熔融接合 (fusion bonding) (fusion bonding)

熔融接合主要用來接合兩片或更多片的矽晶片,典型的融熔接合包括兩個步驟,首先 經過一連串的清洗程序,使晶片表面呈親水性,例如以 NH4

OH/H

2

O

2

/H

2

O 、 HCl/H

2

O

2

/H

2

O 、 H

2

SO

4、 HNO3

(沸騰) 等化學藥品處理晶片表面,然後浸入純中一

段時間,再以旋乾機旋乾。第二個步驟是將兩片處理過且表面光滑的晶片接在一起,

此時會因為凡得瓦力而黏合,再置入高溫中 (如 1100 °C) ,使接合晶片的表面形成矽- 二氧化矽-矽的鍵結,此時接合力量大約與矽的降伏強度同等級。

矽晶片 矽晶片

(a)

矽晶片 矽晶片 晶片表面親水性處理

高溫熱處理

(b) 熔融接合基本步驟

加壓

(13)

台灣師範大學機電科技學系 -49-

熔融接合 熔融接合 ( (續 續) )

z玻璃 – 玻璃直接接合 z矽 – 矽直接接合

台灣師範大學機電科技學系 -50-

直接接合 直接接合 (direct bonding) (direct bonding)

z玻璃 – 玻璃直接接合

z矽 – 矽直接接合 直接接合技術為利用化學藥品活化晶片表 面,使晶片結合。接合界面不使用介質,

其接合溫度在100~200℃屬於低溫接合。

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-51-

黏著接合

黏著接合 (adhesive bonding) (adhesive bonding)

黏著接合是在兩基板之間塗抹一層黏著物質,例如環氧樹脂、有機物、高分子

,甚至光阻等,施予適當的溫度與壓力進行接合,黏著接合可以填滿基板上凹 凸不一的表面輪廓,因此可以達到某種程度的氣密,以隔絕外界的溫度與濕度 變化,而接合的基板範圍也比較廣,如矽晶片、金屬、陶瓷、玻璃、高分子等 基板,操作溫度相對比較低,約介於常溫到 150 °C 左右,但黏著層的厚度控制 比較不精確,且一般厚度比較厚,另外黏著接合之後如果有高溫製程,可能造 成黏著層的特性改變使兩片基板失去接合力,甚至或產生氣泡。

C. R. Yang, NTNU MT

-52-

玻璃介質接合 玻璃介質接合

以低熔點的玻璃為介質,將 晶片接合的方式。膠糊狀玻 璃介質以旋轉塗佈或經紗網 印刷至晶片上,先經預烤去 除溶劑,再將晶片接觸加壓 烘烤。膠糊玻璃介質可整平 晶片表面,在工業上常用於 封裝及密封用途。

z玻璃介質接合過程

(14)

台灣師範大學機電科技學系 -53-

低溫玻璃接合 低溫玻璃接合

低溫玻璃接合使用氫氟酸(HF)為接 著劑,進行玻璃–玻璃界面接合,

其流程如右圖所示。首先使用丙酮

(acetone)移除玻璃晶片有機污染物

,再使用硫酸(H2

SO

4

)+雙氧水 (H

2

O

2

)清潔,最後使用1% HF進行

表面蝕刻及接合。

晶片清潔

1wt%HF

注入晶片

置於室溫中並施加壓 力(0.04~1.3Mpa)

沖去離子水並吹乾

玻璃晶片 玻璃晶片 夾具

夾具 玻璃晶片

玻璃晶片 1wt%HF

台灣師範大學機電科技學系 -54-

有機介質接合 有機介質接合

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-55-

PMMA介質接合 PMMA

介質接合

利用PMMA溶液為接著介質層,提供 黏膠方式接合。由於PMMA溶液具有 極高黏度,塗佈時必須避免破壞結構

。由於PMMA軟化溫度約94℃,而

PMMA介質接合時所需溫度較低(室溫

至60℃),將可避免因溫度所造成的結 構變形。

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-56-

PMMA融合接合 PMMA 融合接合

融合接合技術將PMMA經由高溫(160℃)熱融合,而接合在一起的方法。

由於融合過程採用高溫處理,為避免融合後降至室溫時所產生翹曲現象,

因此進行退火(anneal)時須花費較長的時間進行。

接合實驗步驟:

z 清洗PMMA晶片 z將PMMA晶片吹乾或旋乾 z將PMMA晶片接觸並加壓 z置於烘箱(160℃)十分鐘

(15)

台灣師範大學機電科技學系 -57-

接合檢驗技術 接合檢驗技術

台灣師範大學機電科技學系 -58-

Newton Ring Newton Ring

C. R. Yang, NTNU MT

-59-

Schematic illustration of the IR imaging system IR transmission image of two bonded wafer

pairs. The pair on the right has several voids at the bonded interface due to particles and trapped air.

IR Image Detection IR Image Detection

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-60-

X-ray topograph Ultrasonic IR transmission

Comparison of three methods for visualization Comparison of three methods for visualization

of the same bonded wafer pair.

of the same bonded wafer pair.

(16)

台灣師範大學機電科技學系 -61-

Bond Strength measurement techniques Bond Strength measurement techniques

台灣師範大學機電科技學系 -62-

對準接合技術 對準接合技術

Alignment Bonding Technology Alignment Bonding Technology

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-63-

對準接合技術

對準接合技術

(alignment bonding technology) (alignment bonding technology)

在進行接合前,必須利用接合對準技術將欲接合之兩片基板對準,接著利用特殊的夾具 固定,再送入基板接合機進行接合。又因為基板的透明與否、元件位置、對準記號的位 置不同,以及圖案位於基板哪一面,而有不一樣的對準方式,一般使用的設備脫離不了 紅外線對準曝光機、雙面對準曝光機以及接合對準曝光機。如果是玻璃與晶片的接合,

而晶片與玻璃的對準記號都位於接合的那一面,因為玻璃本身可以透光,所以對準方式 如圖所示,首先對準矽晶片之對準記號,再移動玻璃的位置,使對準記號重疊。

矽晶片

顯微鏡 螢幕

玻璃

對準記號

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-64-

如果接合的基板都是矽晶片,且對準記號剛好相對,那麼對準的方式如下圖 所示,首先 對準晶片一,之後固定並記錄晶片一與顯微鏡的位置,再慢慢移動晶片二,使晶片二的 對準記號與顯微鏡上的記錄重疊,那麼晶片一與晶片二的對準記號就會在同一個位置。

矽晶片一 顯微鏡 螢幕

對準記號

矽晶片一 顯微鏡 螢幕

對準記號

矽晶片二 對準記號

(a) (b)

晶片與晶片的接合 晶片與晶片的接合

(一 (

一)

)

(17)

台灣師範大學機電科技學系 -65-

另一種情況是對準記號都不在欲接合的那一面,則必須利用底視顯微鏡配合頂視顯微鏡進 行對準,首先將底視顯微鏡與頂視顯微鏡設定為同步移動,亦即兩者之 xy 座標都移動到 同一點,接著將晶片一的對準記號移動到與底視顯微鏡吻合,固定晶片一與顯微鏡,再移 動晶片二的對準記號與頂視顯微鏡吻合,即完成兩個晶片的對準。

矽晶片一

頂視顯微鏡 螢幕

對準記號 矽晶片二 對準記號

(b)

底視顯微鏡

晶片與晶片的接合 晶片與晶片的接合

(二 (

二)

)

台灣師範大學機電科技學系 -66-

有一種情況是對準記號都位於欲接合的那一面,就必須將兩個顯微鏡放在晶片一與晶 片二中間來進行對準,如下圖所示,不過這種對準方式比較特束,如果機台本身沒有 這種設計,則可以使用雙面對準曝光機在晶片的另一面定義出對準記號,那麼就可以 適用於晶片與晶片的接合 (一) 或 (二) 了。

矽晶片一 顯微鏡

螢幕

對準記號 矽晶片二

對準記號

顯微鏡

晶片與晶片的接合 晶片與晶片的接合

(三 (

三)

)

C. R. Yang, NTNU MT

-67-

Source: KarlSuss technology report

接合設備 接合設備

( I ) ( I )

C. R. Yang, NTNU MT

-68-

接合設備 接合設備

( II ) ( II )

Source: EVG technology report

(18)

台灣師範大學機電科技學系 -69-

接合技術之基本限制 接合技術之基本限制

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接合技術之基本限制 接合技術之基本限制

接合基板的限制:並不是任意一種基板都可以進行接合,必須視接合的方 法而定,而且即使某兩種基板可以進行接合,但如果熱膨脹係數相差太大

,也會使接合失敗,以陽極接合為例,接合溫度與電壓其實與玻璃本身的 材質和欲接合的基板性質有關,兩個接合的基板熱膨脹係數必須大致接近

,才不會在升降溫時因為熱膨脹係數差異過大而造成接合失敗,或者產生 影響元件結構或機械特性的殘留應力。

製程的限制:進行接合步驟後,如果還有熱處理,也會影響到接合的效果

,產生不必要的氣泡、氣密性變差、甚至完全失去接合的力量,尤其黏著 接合與共晶接合,即使熱處理溫度不是很高,都足以讓接合力量完全失去

,因此在設計製程應該考慮熱處理的先後,避免影響到接合。

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

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立體形狀的限制:整個接合技術的理念與設備都是建立在平面基板與平面基板 間的接合,所以不太可能以現有設備進行非平面結構之間的接合,因此雖然接 合技術已經大大提高元件設計的彈性與結構的變化性,但仍不能達到真正的 3-

D 。

接合基板表面平滑度的要求:基板上表面輪廓太大的變化會增加接合的難度,

即使接合成功也有氣密性不夠的問題,亦即空氣將會從表面輪廓較低的地方滲 入元件,對於需要密閉空間的壓力感測器、微閥、微幫浦等元件有很大的負面 影響,所以基板的表面輪廓凹凸程度一般須控制在 1 到 2 μm 以下,這個限制 同時也增加元件設計的困難度。

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接合技術的應用

接合技術的應用

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A microaccelerometer was fabricated by anodic bonding.

Flow channels

was formed by anodic bonding.

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A Motorola pressure sensor using glass frit wafer bonding for packaging.

C. R. Yang, NTNU MT

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Application of anodic bonding Application of anodic bonding

SPM tip arrays was fabricated by anodic bonding.

Ref: G.W. Hsieh et al., “Anodic bonding of glass and silicon wafers with an intermediate silicon nitride film and its application to batch fabrication of SPM tip arrays”, Microelectronics Journal, 36 (2005) 678–682.

C. R. Yang, NTNU MT

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Pressure liquid flow sensors were fabricated by anodic bonding.

Application of anodic bonding Application of anodic bonding

Ref: B. Danick et al., “Integration of robust fluidic interconnects using metal to glass anodic bonding”, Journal of Micromechanics and Microengineering, 15 (2005) 1657–1663.

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A MEMS gyroscope were fabricated by anodic bonding.

Application of anodic bonding Application of anodic bonding

Ref: L. Moon Chul et al., “A high yield rate MEMS gyroscope with a packaged SiOG process”, Journal of Micromechanics and Microengineering, 15 (2005) 2003–2010.

台灣師範大學機電科技學系 -78-

A method for integration of electronics and A method for integration of electronics and mechanical devices using wafer bonding.

mechanical devices using wafer bonding.

Chip containing accelerometers, pressure sensors, and complementary MOS integrated circuits.

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參考文獻參考文獻

z林裕成, 微機電系統製程之接合技術, 機械月刊, 25(11), 314-321

z

M. A. Schmidt, Wafer-to-wafer bonding for microstructure formation, Proceeding of the IEEE, 86(8), 1998

z

A. R. Mirza, Wafer-level alignment bonding for interconnects and MEMS

z潘吉祥, MEMS技術資料, 勤益技術學院

台灣師範大學機電科技學系 C. R. Yang, NTNU MT

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